Ensaios de incorporação de lamas em materiais cerâmicos de construção

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1 Ensaios de incorporação

de lamas em materiais

cerâmicos de construção

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Qualificação | 2020

Ecoeficiência e

competitividade

Entidade promotora: ANIET

Objetivo: Reforçar capacidades de inovação organizativa das PME e aumentar a qualificação da oferta nacional

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INDICE 1. OBJETIVO ... 4 2. ENQUADRAMENTO ... 4 3. METODOLOGIA... 6 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 7

4.1. ANÁLISE QUÍMICA DO RESÍDUO ... 7

4.2. ANÁLISE GRANULOMÉTRICA DAS COMPOSIÇÕES CERÂMICAS ... 8

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4 1. Objetivo

Estudar a viabilidade de valorização das lamas do setor da Pedra noutros sectores industriais, por forma a minimizar a produção de resíduos e criar estratégias que promovam a economia circular.

O estudo consistiu em ensaios de incorporação de lamas do processamento da pedra em com-posições cerâmicas, na perspetiva de solucionar os problemas da deposição em aterro, propor-cionando assim as simbioses industriais e a valorização de recursos.

2. Enquadramento

A Eco-inovação consiste numa forma, técnica ou conjunto de técnicas que podem ser aplicadas a produtos, serviços ou processos eco-inovadores que visam progressos significativos demons-tráveis na conquista do objetivo de desenvolvimento sustentável, nomeadamente através da prevenção ou a redução dos impactes ambientais ou que contribuem para a otimização da uti-lização dos recursos ao longo do ciclo de vida.

Por outro lado, a estratégia para uma construção sustentável assenta, entre muitas outras vari-áveis, na obtenção de produtos que possam garantir uma sustentabilidade ao longo do seu ciclo de vida, com impactes o mais reduzido possível no ambiente, desde a extração de recursos naturais (ex: matérias-primas naturais e energia), o consumo de aditivos e materiais auxiliares, a produção do material de construção (consumos de água, energia, produção de resíduos e efluentes líquidos e gasosos), a fase de utilização em obra até ao fim de vida (demolição, de-posição final).

Neste sentido, com o estudo em apreço pretendeu-se promover simbioses industriais, onde os desperdícios, subprodutos ou resíduos de indústrias da pedra, são valorizados como recursos (matérias-primas) nas empresas cerâmicas, promovendo-se assim estratégias de eco-inovação e de economia circular.

Desta forma, pretendeu-se desenvolver uma metodologia inovadora de destino final que inclua a valorização das lamas por incorporação em materiais de construção (nomeadamente tijolos cerâmicos), valorizando resíduos cujo destino final atual é a deposição em aterro, contribuindo-se deste modo para a redução de impactes ambientais associados à armazenagem e elimina-ção destes materiais, bem como para um uso mais eficiente e racional dos recursos naturais (nomeadamente materiais argilosos, que serão substituição em parte pelas lamas).

De entre os resíduos gerados no setor das rochas ornamentais, nomeadamente na transforma-ção, destacam-se as lamas da ETAR, que na maioria das empresas são colocadas em aterro. As lamas surgem na transformação da rocha ornamental nos processos de serragem e de corte, devido à utilização de água, que auxilia na limpeza, arrefecimento e lubrificação dos mesmos, resultando grandes quantidades num circuito fechado de circulação de água.

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A água misturada com partículas finas de rocha, poeiras e alguns aditivos como cal e granalha é enviada para um decantador, onde é feita a sedimentação das partículas sólidas através de floculantes, formando assim as lamas. Após a sedimentação, a água é enviada de novo para o circuito e as lamas remanescentes vão para um filtro prensa de forma a aumentar a sua con-centração e diminuir o seu volume.

Estas lamas são consideradas “inertes”, de acordo com os critérios de aceitação em aterro estipulados no Decreto-Lei n.º 183/2009, de 10 de agosto, ou seja, constituem um “resíduo que não sofre transformações físicas, químicas ou biológicas importantes e, em consequência, não pode ser solúvel nem inflamável, nem ter qualquer outro tipo de reação física ou química, e não pode ser biodegradável, nem afetar negativamente outras substâncias com as quais entre em contacto de forma suscetível de aumentar a poluição do ambiente ou prejudicar a saúde hu-mana, e cuja lixiviabilidade total, conteúdo poluente e ecotoxicidade do lixiviado são insignifi-cantes e, em especial, não põem em perigo a qualidade das águas superficiais e/ou subterrâ-neas”.

O trabalho desenvolvido perspetivou, assim, a valorização daquele resíduo (lamas de ETARI) resultante da transformação de pedras graníticas (Fig. 1) para incorporação em duas composi-ções cerâmicas, do subsetor do tijolo, correspondentes a duas empresas cerâmicas.

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6 3. Metodologia

A realização do trabalho de incorporação contemplou a caraterização laboratorial com a reali-zação de vários ensaios. Estes ensaios foram efetuados ao resíduo, às pastas cerâmicas de referência e ensaios de incorporação do resíduo em duas composições cerâmicas, de duas empresas distintas.

Descrevem-se de seguida os ensaios laboratoriais efetuados para o estudo pretendido, os quais foram precedidos da recolha em cada uma das fábricas participantes, das respetivas amostras das suas pastas cerâmicas.

Caracterização do resíduo

Ao resíduo das lamas foi efetuada uma caraterização ao nível da análise química quantitativa.

Caracterização das composições cerâmicas

Os parâmetros avaliados na composição cerâmica em uso industrial (composição de referência) em cada uma das empresas participantes, tendentes à respetiva caracterização, foram os se-guintes:

• Análise granulométrica

• Ensaios após secagem e cozedura a 3 temperaturas, em provetes conformados para o efeito, com a determinação de:

o Humidade de conformação

o Retração verde-seco e seco-cozido

o Resistência mecânica em seco e em cozido o Absorção de água após cozedura

o Avaliação de eflorescências

o Análise de textura, cor e deteção de defeitos

As 3 temperaturas de cozedura referidas anteriormente foram definidas em função da tempera-tura de cozedura de cada empresa cerâmica.

Formulação de composições

Para avaliar a incorporação do resíduo na pasta cerâmica foram formuladas três composições cerâmicas em cada pasta participante, com diferentes percentagens de incorporação do resí-duo.

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Para a caracterização destas composições foram realizados ensaios de secagem e cozedura a 3 temperaturas, tal como anteriormente descrito para a composição de referência.

Os resultados irão permitir a análise comparativa das características e propriedades tecnológi-cas da composição de referência e as diversas composições com adição de resíduo.

4. Resultados e Discussão

4.1. Análise química do resíduo

A composição química quantitativa das lamas, resultantes da transformação de pedra, foi efe-tuada por Espectrometria de Fluorescência de Raios-X, após secagem da amostra a 100-110ºC e posterior moagem e peneiração a 75 µm (#200 ASTM), tendo-se obtido os seguintes teores: Na composição química deste resíduo destaca-se o teor de sílica (72,3%) e alumínio (14,5%), os quais são os componentes maioritários.

Quadro I – Análise química quantitativa das lamas de ETARI

Parâmetro Teor (%) SiO2 72,3 Al2O3 14,5 Fe2O3 1,67 CaO 0,745 MgO 0,306 Na2O 3,39 K2O 4,74 TiO2 0,175 MnO 0,042 P2O5 0,238

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8 4.2. Análise granulométrica das composições cerâmicas

A granulometria das pastas cerâmicas foi efetuada, na amostra integral, com separação por via húmida da fração superior a 63 µm (#230 ASTM).

O material retido a 63 µm, após secagem a 100-110ºC, foi analisado por peneiração a seco, através de uma coluna de peneiros ASTM.

Para as partículas finas, com diâmetros entre 63 e 1 µm, o método de ensaio utilizado baseou-se na baseou-sedimentação de partículas num sistema disperso e deteção por absorção de raios X, utilizando para o efeito um equipamento Sedigraph III 5120 micromeritics.

Os resultados obtidos, expressos através de curvas de frequência cumulativas e histogramas, permitem identificar a composição granulométrica das pastas, encontrando-se representados nos quadros II e III e nas fig.s 2 e 3.

Quadro II – Distribuição textural das pastas cerâmicas

Classe granulométrica _FS-P0 _AM-P0

% Areia (> 63 µm) 27,0 38,6 % Silte (2 – 63 µm) 36,5 32,7 % Argila (< 2 µm) 36,5 28,7 D50 (µm) 6,25 14,28

D50: Diâmetro correspondente a uma percentagem mássica cumulativa de 50% de material passado

Em termos granulométricos, verifica-se que a pasta de AM-P0 apresenta uma textura arenosil-tosa, evidenciado pelo D50 (14,28 µm) superior ao da pasta FS-P0 (6,25 µm), que apresenta uma textura argilosiltosa.

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Quadro III – Distribuição granulométrica das pastas cerâmicas

Malha (µm) FS-P0 AM-P0

% Retido % Passante cum % Retido % Passante cum

4750 0 100 0 100 4000 0,2 99,8 1,7 98,3 2800 0,3 99,5 2,0 96,3 2000 0,5 99,1 1,5 94,8 1400 0,9 98,2 1,7 93,1 1000 1,0 97,2 1,7 91,5 710 1,5 95,7 1,9 89,5 500 2,1 93,6 2,4 87,2 355 2,1 91,5 3,0 84,2 250 2,7 88,8 2,6 81,6 180 2,8 86,0 2,9 78,7 125 4,1 82,0 2,9 75,8 90 4,2 77,8 4,1 71,7 63 4,8 73,0 10,3 61,4 50 0,4 72,5 0,1 61,3 40 1,2 71,3 0,6 60,7 30 2,3 69,0 2,1 58,6 25 2,0 67,0 1,8 56,8 20 2,8 64,2 2,5 54,3 15 3,5 60,7 3,6 50,7 10 4,8 55,9 4,9 45,7 8 2,7 53,2 2,7 43,0 6 3,7 49,5 3,1 39,9 5 2,33 47,2 2,0 37,9 4 2,9 44,4 2,4 35,5 3 3,4 40,9 3,2 32,3 2 4,5 36,5 3,6 28,7 1,5 2,8 33,7 2,3 26,4 1 2,9 30,9 2,7 23,7

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Fig. 3 – Distribuição granulométrica da pasta cerâmica AM-P0

4.3. Ensaios cerâmicos após secagem e cozedura

Os ensaios cerâmicos após secagem e cozedura foram realizados nas pastas fornecidas pelas empresas cerâmicas e em composições formuladas com as referidas pastas (tijolo) e diferentes percentagens de lamas de ETARI da transformação de pedra de granito.

Neste sentido, para avaliação dos efeitos da incorporação do resíduo nas composições cerâ-micas em uso industrial, foram formuladas três composições com adição ponderal relativamente ao material seco (110ºC) de 2,5%, 5% e 10%, na pasta FS-P0 e de 5%, 10% e 15%, na pasta AM-P0.

Quadro IV – Composições formuladas com a pasta cerâmica FS-P0

Materiais

Composições

FS-P0 FS-P2,5 FS-P5 FS-P10

Pasta cerâmica 100% 97,5% 95% 90%

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Quadro V – Composições formuladas com a pasta cerâmica AM-P0

Materiais

Composições

AM-P0 AM-P5 AM-P10 AM-P15

Pasta cerâmica 100% 95% 90% 85%

Lamas 0% 5% 10% 15%

A preparação das várias composições para conformação envolveu a secagem em estufa elé-trica a 110ºC e posterior desagregação/moagem em moinho de martelos, de forma a obter ma-terial com granularidade inferior a 1,0 mm, tanto o resíduo como a pasta cerâmica.

Para efetuar os ensaios cerâmicos foi necessário conformar provetes de ensaio. Com este fim, foram preparados provetes paralelepipédicos (≈ 12x3x1 cm) conformados por extrusão, numa fieira laboratorial com dispositivo de vácuo (≈ 0,85 bar).

A secagem dos provetes efetuou-se, primeiramente, à temperatura ambiente e posteriormente, em estufa elétrica a 100-110ºC.

A cozedura dos provetes foi realizada, no laboratório, em forno elétrico programável às tempe-raturas de pirómetro de 800º, 850º e 900ºC para a pasta FS-P0 e 920º, 950º e 980ºC para a pasta AM-P0, tendo em conta que as temperaturas máximas de cozedura nos fornos das duas fábricas são diferentes.

Desta forma, no laboratório foi utilizado um ciclo de cozedura com taxa de aquecimento de 2ºC/min, patamar de 120 min à temperatura máxima e arrefecimento natural dentro do forno. As fig. 4 e 5 apresentam uma simulação do ciclo de cozedura para as temperaturas ensaiadas, para cada pasta, respetivamente.

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Fig. 4 – Perfil da curva de cozedura dos ensaios com a pasta FS-P0

Fig. 5 – Perfil da curva de cozedura dos ensaios com a pasta AM-P0

A determinação do teor de humidade após extrusão (base húmida) foi realizada recorrendo à norma NP 84. A resistência mecânica à flexão em seco e cozido realizou-se de acordo com as normas ASTM C689 e ASTM C674, respetivamente, em que a velocidade de carga aplicada nos provetes secos e cozidos foi de 1 N/s e 50 N/s, respetivamente, a célula de carga com capacidade de 5 kN e a distância interapoios de 8 cm. A retração linear foi determinada com recurso à norma ASTM C326 e os restantes parâmetros realizados de acordo com procedimen-tos internos do CTCV.

Os resultados obtidos após secagem e cozedura das várias composições ensaiadas são os constantes dos quadros VI e VII e representam-se nas fig.s 6 a 11.

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Quadro VI – Resultados obtidos após secagem e cozedura com a pasta FS-P0

Parâmetro

FS-P0 FS-P2,5 FS-P5 FS-P10

Temperatura de secagem: 110ºC

Humidade de extrusão* (%) 17,5 17,9 17,8 17,8 Retração verde-seco (%) 5,45 ± 0,17 5,73 ± 0,19 5,61 ± 0,25 5,18 ± 0,16 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ 54 ± 3 54 ± 2 54 ± 4 53 ± 2

Temperatura de cozedura: 800ºC

Retração seco-cozido (%) -0,55 ± 0,05 -0,56 ± 0,02 -0,54 ± 0,02 -0,53 ± 0,02 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ ₄₉_{± 3} ₅₁_{± 3} ₄₉_{± 2} ₄₀_{± 11}

Absorção de água (%) 15,4 ± 0,2 15,1 ± 0,1 15,4 ± 0,1 16,1 ± 0,2

Retração seco-cozido (%) -0,47 ± 0,04 -0,48 ± 0,02 -0,48 ± 0,02 -0,49 ± 0,04 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ _{69 ± 2} _{66 ± 4} _{65 ± 6} _{63 ± 2}

Absorção de água (%) 15,3 ± 0,2 15,2 ± 0,1 15,2 ± 0,1 15,9 ± 0,1

Retração seco-cozido (%) -0,31 ± 0,03 -0,29 ± 0,05 -0,27 ± 0,04 -0,31 ± 0,04 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ _{102 ± 3} _{99 ± 4} _{101 ± 3} _{92 ± 6}

Absorção de água (%) 14,9 ± 0,3 15,1 ± 0,1 15,3 ± 0,1 15,9 ± 0,1

* base húmida

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Fig. 7 – Resistência mecânica à flexão das composições, com a pasta FS-P0, na secagem e versus temperatura de cozedura

Fig. 8 – Absorção de água das composições, com a pasta FS-P0, versus temperatura de cozedura

Das propriedades cerâmicas, de secagem e cozedura, reveladas pelas composições ensaiadas com incorporação de lamas em comparação com a composição de referência FS-P0, salienta-se o salienta-seguinte:

• A humidade de extrusão nas condições laboratoriais ensaiadas, com a incorporação das lamas, mantém-se sensivelmente na mesma ordem de grandeza da pasta cerâmica em uso;

• A retração linear após secagem aumenta ligeiramente com a adição de 2,5 e 5% de lamas, no entanto, com 10% diminui ligeiramente;

• Nas diferentes temperaturas de cozedura e nas diferentes adições das lamas ensaiadas, a retração nas três composições mantém o comportamento de dilatação observado na composição de referência, sem alterações de relevância;

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• A resistência mecânica à flexão após secagem não sofreu alterações, com a adição das lamas;

• A resistência mecânica à flexão durante a cozedura apresenta na generalidade uma ligeira tendência decrescente com o aumento da incorporação das lamas, acentuando-se um pouco mais na incorporação de 10%, em todas as temperaturas de cozedura ensaiadas;

• Os valores do índice de absorção de água mantêm-se na mesma ordem de grandeza com a incorporação das lamas nas percentagens 2,5 e 5%, relativamente à composição de referência, verificando-se um ligeiro aumento na percentagem de 10%, em todas as temperaturas de cozedura ensaiadas.

Quadro VII – Resultados obtidos após secagem e cozedura com a pasta AM-P0

Parâmetro

AM-P0 AM-P5 AM-P10 AM-P15

Temperatura de secagem: 110ºC

Humidade de extrusão* (%) 19,4 19,2 20,1 19,9 Retração verde-seco (%) 4,90 ± 0,07 4,93 ± 0,12 4,62 ± 0,21 4,76 ± 0,33 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ _{45 ± 1} _{45 ± 2} _{47 ± 2} _{45 ± 2}

Retração seco-cozido (%) -0,18 ± 0,03 -0,21 ± 0,03 -0,17 ± 0,04 -0,19 ± 0,04 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ 63 ± 5 61 ± 2 68 ± 3 60 ± 2

Absorção de água (%) 18,2 ± 0,2 18,2 ± 0,1 18,5 ± 2,5 18,7 ± 0,2

Retração seco-cozido (%) -0,03 ± 0,06 -0,03 ± 0,02 0,06 ± 0,04 0,05 ± 0,03 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ _{65 ± 3} _{66 ± 5} _{71 ± 3} _{65 ± 3}

Absorção de água (%) 18,4 ± 0,1 18,0 ± 0,1 17,6 ± 0,1 18,5 ± 0,2

Retração seco-cozido (%) 0,43 ± 0,12 0,42 ± 0,11 0,61 ± 0,05 0,57 ± 0,11 Resistência mecânica à flexão (kgf/cm2₎ _{72 ± 3} _{74 ± 4} _{82 ± 5} _{75 ± 4}

Absorção de água (%) 17,7 ± 0,3 17,2 ± 0,6 16,6 ± 0,3 17,6 ± 0,3

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Fig. 9 – Retração das composições, com a pasta AM-P0, na secagem e versus temperatura de cozedura

Fig. 10 – Resistência mecânica à flexão das composições, com a pasta AM-P0, na secagem e versus tempera-tura de cozedura

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Das propriedades cerâmicas, de secagem e cozedura, reveladas pelas composições ensaiadas com incorporação de lamas em comparação com a composição de referência AM-P0, salienta-se o salienta-seguinte:

• A humidade de extrusão nas condições laboratoriais ensaiadas aumenta ligeiramente, com a incorporação das lamas nas percentagens de 10 e 15%;

• A retração linear após secagem diminui ligeiramente com a adição de 10 e 15% de la-mas, mantendo-se igual com 5%, relativamente à composição de referência;

• Na temperatura de cozedura de 920ºC, com a adição das lamas mantém-se o compor-tamento de dilatação na mesma ordem de grandeza da composição de referência. O mesmo acontece para a temperatura de 950ºC para a adição de 5% de lamas, mas nesta temperatura de cozedura com o aumento de incorporação passa a observar-se uma pequena retração. Na temperatura cozedura de 980ºC mantém-se a retração veri-ficada na composição de referência para a adição de 5% de lamas, aumentando ligeira-mente com o aumento da percentagem de incorporação;

• A resistência mecânica à flexão após secagem não sofreu alterações significativas, com a adição das lamas;

• A resistência mecânica à flexão durante a cozedura sofreu ligeiras oscilações, com a adição das lamas, destacando-se o ligeiro aumento na incorporação de 10% em todas as temperaturas de cozedura ensaiadas;

• Os valores do índice de absorção de água mantêm-se sensivelmente na mesma ordem de grandeza com a incorporação das lamas, relativamente à composição de referência, destacando-se, na temperatura de cozedura de 980ºC alguma diminuição nomeada-mente na adição de 10% de lamas.

Nos provetes cozidos das várias composições foi avaliada visualmente a cor de cozedura e a eventual presença de defeitos, tendo sido efetuado, também, o ensaio de manifestação de eflo-rescências. Neste ensaio os provetes cozidos às várias temperaturas ensaiadas foram coloca-dos em água até metade da sua espessura, durante 24 h, e de seguida secos a cerca de 110ºC. Os resultados obtidos constam do quadro VIII e IX.

Quadro VIII – Características de cozedura e manifestação de eflorescências com a pasta FS-P0

800ºC 850ºC 900ºC

FS-P0

Cor Laranja escuro Laranjaescuro Laranjaescuro

Coração negro Negativo Negativo Negativo

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FS-P2,5

Cor Laranjaescuro Laranjaescuro Laranjaescuro

Eflorescências Brancas Brancas Negativo

FS-P5

FS-P10

Das características observáveis nas composições ensaiadas com a pasta FS-P0, às tempera-turas ensaiadas, salienta-se o seguinte:

• A cor de cozedura da pasta de referência (laranja escuro) permanece inalterável com as várias incorporações ensaiadas;

• Nas três temperaturas ensaiadas e nas três adições de resíduo não ocorrem fenómenos de coração negro, conforme acontece na pasta de referência;

• A manifestação de eflorescências brancas que se observa na composição de referência mantém-se nas composições com incorporação de resíduo, nas temperaturas de coze-dura de 800º e 850ºC.

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Quadro IX – Características de cozedura e manifestação de eflorescências com a pasta AM-P0

920ºC 950ºC 980ºC

AM-P0

Cor Laranja Laranja Laranja

Eflorescências Esverdeadas Esverdeadas Esverdeadas

AM-P5

Eflorescências Esverdeadas Esverdeadas Esverdeadas

AM-P10

Eflorescências Negativo Esverdeadas Esverdeadas

AM-P15

Eflorescências Negativo Esverdeadas Negativo

Das características observáveis nas composições ensaiadas com a pasta AM-P0, às tempera-turas ensaiadas, salienta-se o seguinte:

• A cor de cozedura da pasta de referência (laranja) permanece inalterável com as várias incorporações ensaiadas;

• Nas três temperaturas ensaiadas e nas três adições de resíduo não ocorrem fenómenos de coração negro, conforme acontece na pasta de referência;

• A manifestação de eflorescências esverdeadas que se observa na composição de refe-rência mantém-se na composição com incorporação de 5% resíduo, nas temperaturas de cozedura de ensaiadas. No entanto, na cozedura de 920ºC, nas composições com 10 e 15 % de resíduo, e na cozedura de 980ºC, na composição de 15% de resíduo, as eflorescências deixam de ser visíveis.

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20 5. Conclusões

As lamas do processamento da pedra apresentam potencialidade para ser incorporadas indus-trialmente no sector cerâmico, nomeadamente no sector da construção, no tijolo e abobadilha. O estudo laboratorial realizado com a composição cerâmica FS-P0 permitiu verificar que as caraterísticas tecnológicas desta pasta de referência, nomeadamente os parâmetros de seca-gem e cozedura, não sofreram alterações significativas, no que concerne às incorporações com adição de 2,5% e 5% de lamas, demonstrando a viabilidade de incorporação deste tipo de re-síduo na indústria cerâmica.

Relativamente ao estudo com a composição cerâmica AM-P0 verificou-se algumas melhorias nos parâmetros de secagem e cozedura, nomeadamente na incorporação com adição de 10% de lamas, perspetivando a possibilidade de alguma melhoria dos produtos finais com aquela percentagem de incorporação.

Desta forma, com a incorporação das lamas a cerâmica poderá diminuir a percentagem de matérias-primas argilosas na sua composição, substituindo-as por um resíduo de uma outra atividade industrial, contribuindo, assim para uma economia mais verde.

No entanto, salientamos que os resultados obtidos em laboratório deverão ser confirmados à escala semi-industrial, podendo mesmo ocorrer uma melhoria das condições em cenário indus-trial relativamente às determinadas em laboratório.

Coimbra, 30 de junho de 2018

M

arisa Almeida Anabela Amado

Responsável Técnico qualificado

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